Tổng quan về tàu Voyager 2

Tàu vũ trụ Voyager 2 là một tàu vũ trụ không người lái liên hành tinh được phóng đi ngày 20 tháng 8 năm 1977. Cả tàu vũ trụ Voyager 2 và Voyager 1 đều được thiết kế, phát triển, và chế tạo tại Jet Propulsion Laboratory gần Pasadena, California.

Tương tự về hình thức và thiết bị với tàu chị em trong Chương trình Voyager của mình là Voyager 1, Voyager 2 được phóng đi với một quỹ đạo thấp và cong hơn, cho phép nó được giữ trong mặt phẳng Hoàng Đạo (mặt phẳng của Hệ mặt trời) để nó có thể tới được Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương nhờ sử dụng hỗ trợ hấp dẫn khi nó bay qua Sao Thổ năm 1981 và Sao Thiên Vương năm 1986.

Tàu Voyager 2.

Vì quỹ đạo được lựa chọn này, Voyager 2 không thể tiếp cận gần với Mặt Trăng lớn của Sao Thổ là Titan như con tàu chị em của mình. Tuy nhiên, Voyager 2 thực sự đã trở thành tàu vũ trụ đầu tiên và duy nhất bay qua Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, và vì thế đã hoàn thành Đại Du Hành Liên Hành Tinh. Đây là sự kiện diễn ra bởi một sự sắp xếp thẳng hàng hiếm gặp của các hành tinh bên ngoài (176 năm mới xảy ra một lần).

Tàu vũ trụ Voyager 2 đã thực hiện chuyến bay không người lái có hiệu quả nhất, tới thăm toàn bộ bốn hành tinh phía ngoài và các hệ Mặt Trăng cùng vành đai của chúng, gồm cả hai chuyến thăm đầu tiên tới Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương chưa từng được khám phá. Voyager 2 có hai camera cảm ứng vidicon và một bộ thiết bị khoa học khác để tiến hành đo đạc trong các chiều dài sóng cực tím, hồng ngoại, và radio, cũng như để đo các phần tử dưới nguyên tử trong không gian bên ngoài, gồm cả các tia vũ trụ.

Hồ sơ phi vụ tàu Voyager 2

Voyager 2 ban đầu được sắp đặt kế hoạch để trở thành Mariner 12, một sự mở rộng của các tàu vũ trụ thuộc chương trình Mariner.

Tàu vũ trụ Voyager 2 được phóng đi ngày 20 tháng 8 năm 1977, từ Mũi Canaveral, Florida, Hoa Kỳ trên một tên lửa phóng Titan IIIE/Centaur, trong một phi vụ hoàn mỹ không gặp bất kỳ trở ngại nào vào đúng quỹ đạo. Một số tuần sau, những người điều khiển mặt đất của chương trình Voyager gặp phải một vấn đề sau lần phóng đầu tiên với Voyager 1, và họ quên gửi mã nguồn nâng cấp quan trọng cho Voyager 2. (Các tàu vũ trụ này đã được lập trình để chờ một thông điệp radio theo một số dạng từ Mạng Lưới Không Gian Sâu ít nhất mỗi lần một tuần để kiểm tra xem các hệ thống radio của chúng còn hoạt động hay không).

Sai sót này trong việc nhận tín hiệu radio khiến Voyager 2 tắt thiết bị nhận radio chính của nó và chuyển sang sử dụng thiết bị nhận dự phòng tương tự, với một hư hỏng nhẹ. Trong quá trình bật tắt chuyển giữa hai máy thu nhận trong vài lần, một cầu chì trong nguồn cấp điện một chiều của máy thu chính bị nổ, làm nó ngừng hoạt động vĩnh viễn. Vì thế từ thời điểm đó về sau toàn bộ phi vụ phải dựa vào máy thu dự phòng.

Voyager 2 được phóng đi ngày 20 tháng 8 năm 1977 bằng một tên lửa Titan IIIE/Centaur.

Những khó khăn khi phóng tàu Voyager 2

Các con quay hồi chuyển và máy tính của Voyager 2 đã hoạt động trong giai đoạn phóng của tên lửa Titan/Centaur, giám sát chuỗi các sự kiện, để các hệ thống này đảm nhiệm việc điều khiển tư thế và các chức năng khác của tàu vũ trụ ngay sau khi tách khỏi tầng cuối cùng của tên lửa Centaur. Nhưng ở thời điểm đó, điều không mong đợi đã xảy ra: máy tính của Voyager 2 gặp một sự "mất thăng bằng" rôbốt. Trong tình trạng nhầm lẫn, nó đã bật các cảm biến dự phòng một cách không cần thiết, khiến các "cảm biến" của nó ngừng hoạt động.

Máy tính điều khiển bay mất phương hướng của Voyager 2 tiếp tục bị ngắt khỏi các tên lửa điều chỉnh mạnh của Voyager ở thời điểm đó, vì thế nó không gây ra thiệt hại cho vụ phóng trong thời gian phóng. Hệ thống điều khiển tư thế của Centaur tiếp tục chịu trách nhiệm, không gặp phải hiện tượng "mất thăng bằng" và, theo đúng kế hoạch, đã sửa chữa sự mất thăng bằng này của máy tính của Voyager ngay trước khi tách nhau.

Từ trung tâm điều khiển tàu vũ trụ, các kỹ sư và kỹ thuật viên quan sát một cách bất lực những trò hề của chiếc máy tính đã mất phương hướng của Voyager 2. Một giờ 11 phút sau vụ phóng, tên lửa nhiên liệu rắn của riêng Voyager 2 hoạt động trong 45 giây, để tăng động lượng lần cuối cho nó để đủ sức tới Sao Mộc.

Một và một nửa phút sau khi tên lửa chính của Voyager 2 ngừng hoạt động, cánh tay khớp nối dài ba mét giữ camera và các thiết bị cảm biến từ xa khác mở ra và hoạt động theo kế hoạch. Sau đó, máy tính của Voyager 2 một lần nữa cảm thấy tình trạng khẩn cấp vì một số lý do. Lần này nó chuyển sang một bộ điều khiển khác và kích hoạt các van để kiểm soát các luồng khí phụt nhỏ để ổn định tư thế của nó trong vũ trụ. "Người bạn ruột" robot của Voyager 2 (chương trình điều khiển của nó) sau đó nghi ngờ một số phần của máy tính trong một nỗ lực điên rồ nhằm sửa chữa sự sai hướng mà nó phát hiện ra.

Ở thời điểm này, Voyager 2 sau các quy trình thông thường mà các kỹ sư của Jet Propulsion Laboratory đã cài đặt trên máy tính để giải quyết các tình trạng khẩn cấp cho tàu vũ trụ robot trong không gian xa—mất phương hướng điều khiển tư thế. Voyager 2 tắt hầu hết liên lạc với Trái Đất nhằm bắt đầu chỉnh lại hướng.

Bảy mươi phút trôi qua trong khi Voyager 2 tự mình tìm kiếm Mặt trời với một cảm biến để thiết lập một điểm hướng. Cuối cùng Voyager 2 phát sóng radio về phía Trái Đất thông báo rằng nó đã hoạt động bình thường. Tới thời điểm này ta vẫn không biết liệu các cảm biến dày đặc trên đó có hoạt động sai không, hay các máy tính số trên tàu đã hư hỏng.

Việc tìm kiếm lỗi trên máy tính của Voyager 2 khi ấy được thực hiện trên giả thiết đau lòng rằng nó sẽ chỉ bị gây ra bởi một lỗi phần cứng khi đã cách Trái Đất hàng trăm triệu dặm. Trong sự kiện đó, Voyager 2 sẽ thậm chí không thể thiết lập các liên hệ khẩn cấp với những người điều khiển bay, họ không thể giúp đỡ nó ở khoảng cách ấy, trong bất kỳ trường hợp nào.

Voyager 2 đã được lập trình để hầu như tắt mọi liên lạc với Trái Đất trong những tình huống khẩn cấp ở sâu trong vũ trụ như vậy và để tự sửa chữa. Tuy nhiên, các quy trình đó đã được khởi động ngay sau khi phóng, khi đáng ra chúng không được xảy ra. Không hề có lỗi phần cứng nào trong máy tính—chỉ là một cài đặt nhầm nhỏ nhưng nghiêm trọng của các thiết bị đo tư thế trong máy tính trên tàu.

Gặp sao Mộc

Lần tiếp cận Sao Mộc gần nhất diễn ra ngày 9 tháng 7 năm 1979. Nó bay vào trong khoảng cách 570,000 km (350,000 dặm) từ các đám mây cao nhất trên hành tinh này. Nó đã phát hiện một số vành đai xung quanh Sao Mộc, cũng như hoạt động núi lửa bên trên Mặt Trăng Io.

Đốm Đỏ Lớn được khám phá là một cơn bão phức tạp đang di chuyển theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Một mạng lưới các cơn bão và xoáy lốc nhỏ hơn đã được tìm thấy trên khắp dải mây.

Việc phát hiện các hoạt động núi lửa trên Mặt Trăng Io là khám phá lớn nhất không được mong đợi tại Sao Mộc. Đây là lần đầu tiên các hoạt động núi lửa được quan sát thấy trên một vật thể khác trong Hệ mặt trời. Cùng với nhau, hai tàu Voyager đã quan sát những vụ phun trào của chín núi lửa trên Io, và có bằng chứng rằng những vụ phun trào khác cũng đã xảy ra giữa hai lần bay ngang của các tàu Voyager.

Mặt Trăng Europa thể hiện các đặc điểm gồm rất nhiều các đường kẻ cắt nhau trong những bức ảnh có độ phân giải thấp từ Voyager 1. Ban đầu, các nhà khoa học tin rằng các đặc điểm này có thể là các vết nứt sâu, gây ra bởi tình trạng trôi dạt lớp áo hay các quá trình kiến tạo. Tuy nhiên, các bức ảnh chụp gần có độ phân giải cao của Voyager 2, khiến các nhà khoa học bối rối: Các đặc điểm quá thiếu cao độ địa hình khiến một nhà khoa học đã miêu tả chúng, chúng "có thể đã được sơn lên bằng một chiếc bút dạ." Europa có hoạt động ở bên trong vì nhiệt thuỷ triều ở mức độ bằng khoảng một phần mười của Io. Europa được cho là có lớp vỏ mỏng (dày chưa tới 30 kilômét hay 18 dặm) gồm băng nước, có thể nổi trên một đại dương sâu 50 kilômét (30 dặm).

Hai vệ tinh mới, nhỏ, Adrastea và Metis, đã được tìm thấy với quỹ đạo ngay ở bên ngoài vành đai. Một vệ tinh mới thứ ba, Thebe, đã được phát hiện giữa các quỹ đạo của Amalthea và Io.

Gặp sao Thổ

Sao Thổ được chụp bởi Voyager 2.

Lần tiếp cận gần nhất với Sao Thổ diễn ra ngày 26 tháng 8 năm 1981.

Khi đang bay qua phía sau Sao Thổ (khi được nhìn từ Trái Đất), Voyager 2 đã thám hiểm khí quyển trên cao của Sao Thổ với đường nối radio của nó để thu thập thông tin về nhiệt độ và mật độ khí quyển. Voyager 2 phát hiện ra rằng các mức độ áp suất cao nhất (bảy kilopascal áp suất), nhiệt độ của Sao Thổ khoảng 70 kelvin (−203°C), trong khi những mức độ thấp nhất đo được là (120 kilopascal) nhiệt độ tăng lên tới 143 K (−130°C). Cực bắc được phát hiện lạnh hơn 10 kelvin, dù đây có thể là theo mùa (xem thêm Đối diện Sao Thổ).

Sau khi bay qua Sao Thổ, dàn camera của Voyager 2 đã hướng lên trong một thời gian ngắn, khiến nguy cơ mở rộng phi vụ tới Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương gặp nguy hiểm, các kỹ sư của phi vụ đã giải quyết được vấn đề này (gây ra bởi việc sử dụng quá mức khiến dầu bôi trơn của nó tạm thời bị mất), và tàu vũ trụ Voyager 2 tiếp tục bay đi để thám hiểm hệ Sao Thiên Vương.

Gặp sao Thiên Vương

Sao Thiên Vương quan sát từ khoảng cách 18 triệu km.

Lần tiếp cận gần nhất Sao Thiên Vương diễn ra ngày 24 tháng 1 năm 1986, khi Voyager 2 bay vào trong 81,500 kilômét (50,600 dặm) từ các đám mây trên đỉnh hành tinh. Voyager 2 cũng đã phát hiện ra 10 vệ tinh trước kia chưa được biết tới của Sao Thiên Vương; nghiên cứu khí quyển độc nhất của hành tinh, gây ra bởi độ nghiêng trục 97.8°Của nó; và xem xét hệ thống vành đai Sao Thiên Vương.

Sao Thiên Vương rõ ràng là hành tinh lớn thứ ba (Sao Hải Vương có khối lượng lớn hơn, nhưng thể tích nhỏ hơn) trong Hệ mặt trời. Nó quay quanh Mặt trời ở khoảng cách khoảng 2.8 tỷ kilômét (1.7 tỷ dặm), và hoàn thành một vòng sau 84 năm. Độ dài một ngày trên Sao Thiên Vương như Voyager 2 đo đạc là 17 giờ, 14 phút. Sao Thiên Vương là độc nhất trong số các hành tinh có trục nghiêng khoảng 90°, có nghĩa trục của nó gần như song song, chứ không vuông góc với mặt phẳng ecliptic. Độ nghiêng trục quá lớn này được cho là kết quả của một va chạm giữa hành tinh Thiên Vương đang hình thành với một vật thể cỡ hành tinh khác trong lịch sử Hệ mặt trời. Với độ nghiêng trục bất thường của nó, với các vùng cực của Sao Thiên Vương liên tục nhận được ánh sáng Mặt trời hay bị che khuất trong nhiều năm, các nhà khoa học hành tinh không chắc chắn điều gì sẽ xảy ra khi quan sát hay đo đạc Sao Thiên Vương.

Voyager 2 thấy rằng một trong những hiệu ứng đáng ngạc nhiên nhất của việc quay sang bên của Sao Thiên Vương là hiệu ứng trên đuôi của từ trường hành tinh. Nó cũng bị nghiêng khoảng 60 độ so với trục quay của Sao Thiên Vương. Đuôi từ trường của hành tinh được thể hiện bị vặn xoắn bởi Sao Thiên Vương thành một hình nút bần dài theo sau hành tinh. Sự hiện diện của từ trường mạnh của Sao Thiên Vương chưa từng được biết tới cho tới khi Voyager 2 đến.

Các vành đai bức xạ của Sao Thiên Vương được phát hiện có độ dày đặc như các vành đai của Sao Thổ. Mật độ phát xạ bên trong các vành đai Sao Thiên Vương khiến sự bức xạ sẽ "nhanh chóng" tối đi -trong 100,000 năm- bất kỳ methane nào bị bẫy trong các bề mặt băng của các mặt trănb bên trong và các phần tử vành đai. Kiểu tối đi này có thể đã góp phần vào những bề mặt tối của các Mặt Trăng và các phần tử vành đai, hầu như đều có màu xám tối.

Một quầng sương mù trên cao được phát hiện xung quanh cực có ánh nắng của Sao Thiên Vương. Khu vực này cũng được phát hiện phát ra một lượng lớn ánh sáng cực tím, một hiện tượng được gọi là "dayglow." Nhiệt độ khí quyển trung bình khoảng 60 K (âm 350 độ Fahrenheit/âm 213 độ Celsius). Đáng ngạc nhiên, cực tối và cực được chiếu sáng, và hầu hết hành tinh có nhiệt độ gần như nhau ở các đám mây trên đỉnh.

Gặp sao Hải Vương

Ảnh Voyager 2 chụp Sao Hải Vương.

Lần tiếp cận gần nhất của Voyager 2 với Sao Hải Vương diễn ra ngày 25 tháng 8 năm 1989.[6][7] Bởi đây là hành tinh cuối cùng trong Hệ mặt trời của chúng ta mà Voyager 2 có thể tới thăm, Nhà khoa học Lãnh đạo Dự án, các thành viên đội, và những người điều khiển bay quyết định cũng thực thiện một chuyến bay ngang vệ tinh lớn duy nhất của Sao Hải Vương, Triton, để thu thập được càng nhiều thông tin càng tốt về Sao Hải Vương và Triton, không cần biết tới Voyager 2 sẽ bay khỏi Sao Hải Vương ở góc nào. Đây cũng giống như trường hợp Voyager 1 gặp Sao Thổ và vệ tinh lớn của nó là Titan.

Thông qua các thử nghiệm quỹ đạo bay gặp gỡ được tiến hành nhiều lần xuyên qua hệ Sao Hải Vương trước đó, những người điều khiển bay đã tìm ra cách tốt nhất để Voyager 2bay xuyên qua hệ Sao Hải Vương-Triton. Bởi mặt phẳng của quỹ đạo Triton nghiêng khá lớn so với mặt phẳng Ecliptic, thông qua những điều chỉnh giữa chặng, Voyager 2 được hướng vào một đường bay cách cực bắc Sao Hải Vương nhiều nghìn dặm. Ở thời điểm đó, Triton ở phía sau và phía dưới (phía nam của) Sao Hải Vương (ở góc khoảng 25 độ bên dưới mặt phẳng Ecliptic), gần với apoapsis quỷ quỹ đạo elíp của nó. Lực kéo hấp dẫn của Sao Hải Vương làm cong quỹ đạo của Voyager 2 xuống theo hướng về Triton. Trong chưa tới 24 giờ, Voyager 2 đã vượt qua khoảng cách giữa Sao Hải Vương và Triton, và sau đó nó quan sát bán cầu bắc của Triton khi Voyager 2 đã vượt qua cực bắc của Triton.

Hiệu ứng thực và cuối cùng trên quỹ đạo của Voyager 2 là làm cong đường bay của nó về phía nam xuống dưới mặt phẳng Ecliptic khoảng 30 độ. Voyager 2 luôn nằm trên đường bay này, và vì thế, nó thám hiểm không gian phía nam mặt phẳng Ecliptic, đo đạc các từ trường, các phần tử mang, vân vân, tại đó, và gửi những đo đạc về Trái Đất qua telemetry.

Khi đang ở trong vùng lân cận Sao Hải Vương, Voyager 2 đã phát hiện ra "Đốm Đen Lớn", và từ đó đốm này đã biến mất, theo những quan sát bởi Kính thiên văn vũ trụ Hubble. Ban đầu được cho là một đám mây lớn, "Đốm Đen Lớn" sau này được giả thiết là một hố ở dưới vùng mây có thể nhìn thấy của Sao Hải Vương.

Khí quyển Sao Hải Vương gồm hydro, heli, và methane. Methane trong thượng tầng khí quyển Sao Hải Vương hấp thụ ánh sáng đỏ từ Mặt trời, nhưng nó phản chiếu ánh sáng xanh từ Mặt trời vào không gian. Điều này giải thích tại sao Sao Hải Vương có màu xanh.

Thoát khỏi Hệ mặt trời

Bởi sứ mệnh hành tinh của nó đã kết thúc, Voyager 2 hiện được coi là đang thực hiện một phi vụ liên sao, mà NASA hiện đang tiến hành để khám phá Hệ mặt trời như thế nào bên ngoài nhật quyển. Ngày 30 tháng 8 năm 2007, Voyager 2 đã vượt qua sốc kết thúc vào trong nhật bao, xấp xỉ 1 tỷ dặm (1.6 tỷ km) gần Mặt trời hơn Voyager 1. Điều này bởi từ trường liên sao địa phương của vũ trụ. Bán cầu nam của nhật quyển của hệ mặt trời đang bị đẩy vào.

Ở thời điểm ngày 13 tháng 4 năm 2010, Voyager 2 ở khoảng cách khoảng 91,898 AU (13,747 tỉ km, 8,542 tỉ dặm, hay 0,001443 năm ánh sáng) từ Mặt trời, ở sâu trong đĩa phân tán, và đang bay ra ngoài với tốc độ khoảng 3,264 AU mỗi năm. Nó cách xa Mặt trời gấp hai lần so với Sao Diêm Vương, và xa phía ngoài điểm cận nhật của 90377 Sedna, nhưng vẫn chưa ở ngoài các giới hạn bên ngoài của quỹ đạo của hành tinh lùn Eris.

Voyager 2 không hướng về bất kỳ ngôi sao cụ thể nào. Nếu cứ để như vậy, nó sẽ bay qua Sirius, hiện đang ở cách 2,6 parsec từ Mặt trời và đang di chuyển chéo khỏi Mặt trời, ở khoảng cách 1,32 parsec (4.3 năm ánh sáng, 25 nghìn tỷ dặm) trong khoảng 296,000 năm.

Voyager 2 được chờ đợi sẽ tiếp tục truyền các thông điệp sóng radio yếu ít nhất cho tới năm 2025, hơn 48 năm từ khi nó được phóng lên.

Đĩa Vàng Voyager.

Bên trong tàu vũ trụ có một trong hai Đĩa Vàng Voyager. Nó được dự định gửi cho bất kỳ hình thức sự sống thông minh ngoài Trái Đất nào có thể tìm thấy nó. Đĩa có những hỉnh ảnh về Trái Đất và các hình thức sự sống ở trên Trái Đất, một số thông tin khoa học, những lời chào mừng từ mọi người (ví dụ Tổng thư ký Liên hiệp quốc và Tổng thống Hoa Kỳ, và trẻ em của Hành tinh Trái Đất và một sự pha trộn, "Các âm thanh của Trái Đất", gồm cả các âm thanh của cá voi, tiếng trẻ em khóc, tiếng sóng vỗ bờ, và nhiều loại âm nhạc.

Tình trạng hiện tại của Voyager 2

Ngày 30 tháng 11 năm 2006, một lệnh cho Voyager 2 đã bị máy tính trên tàu giải mã sai - trong một lỗi ngẫu nhiên - là một lệnh bật các máy sưởi điện và từ kế của tàu. Các máy sưởi điện này vẫn được bật cho tới ngày 4 tháng 12 năm 2006, và trong thời gian đó dẫn tới một nhiệt độ lên tới trên 130 °C (266 °F), cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ để các từ kế được thiết kế có thể chịu được, và một cảm biến đã quay khỏi hướng chuẩn của nó. Vẫn chưa thể phân tích và sửa chữa hoàn toàn thiệt hại gây ra với từ kế của Voyager 2, dù những nỗ lực để thực hiện việc đó vẫn đang được tiến hành.

Voyager 2 ở cách Mặt trời 92 AU ở thời điểm tháng 3 năm 2010. Ngày 1 tháng 11 năm 2009, nó ở độ nghiêng -54.59° và Right Ascension 19.733 h, khiến nó ở trong chòm sao Telescopium khi quan sát từ Trái Đất.